CN101353020A - 回收轨道车辆制动能量的系统、变电站、方法和轨道车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轨道车辆的制动能量回收系统，包括多个变电站Sk，相互之间的间距为Dk，每个变电站与其自身制动能量回收区域Zfk联系，其中，不管轨道车辆在区域Zfk中位置如何，变电站Sk能够回收至少一部分轨道车辆的制动能，制动能量回收区域Zfk设定为供电线(6)的一个区段【LGfk；LDfk】，该区段以变电站Sk的连接点Pk为中心，其限制LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax－UC3mink)/(ρlmax)。限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2。

Description

回收轨道车辆制动能量的系统、变电站、方法和轨道车辆
技术领域
本发明涉及一种用于回收轨道车辆制动能量的系统、具有静态转换器的变电站和方法，以及用于该系统的轨道车辆。
背景技术
申请人熟悉的轨道车辆的供电系统以及制动能量回收系统包括：
-至少一条供电线，沿着轨道延伸以便向在轨道上运行的轨道车辆供给电力，
-多个变电站Sk，用于回收制动能量，这些变电站相互之间的间隔距离Dk大于100m，每个变电站Sk在连接点Pk处电连接至供电线并具有：
电转换器，能够将电能从配电网络传输到供电线，并且从供电线传输到配电网络以便回收轨道车辆的制动能量，
用于连接点Pk区域的电压Ussk的传感器或者估计器，
用于控制电转换器的模块，只要测量或者估计的电压Ussk大于门限值UC3k，该模块能够使电转换器自动转换到再生模式，在该再生模式中，电转换器持续地将电能从供电线传输到配电网络来回收轨道车辆的制动能量，这样每个变电站都与其各自的制动能量回收区域Zfk相关联，其中，不管轨道车辆在该区域Zfk内的位置如何，变电站Sk都能回收这个轨道车辆的至少一部分制动能量。
制动能量回收区域Zfk被定义为供电线的一个区段【LGfk；LDfk】，该区段以点Pk为中心，其限制值LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax-UC3mink)/(ρlmax)，其中，
UCmax是供电线上允许的最大非永久电压，
UC3mink是在操作变电站期间门限值UC3k可以取的最小值，
ρ是每单位长度的供电线的电阻值，
lmax是供电线上的最大允许电流强度。
在说明书的剩余部分，使用的术语都具有在轨道运输领域中的通常含义。特别的，例如供电线上的最大非永久电压、标称电压或者最小允许非永久电压在欧洲标准EN50 163/CEI60850中规定。
当供电线是悬链线的时候，供电线上的每单位长度的电阻值包括平行导体或者“馈线”的每单位长度的电阻。
这种状况下的供电线指高架悬链线和第三轨道这两者，轨道车辆的集电弓架通过摩擦高架悬链线获得电能，而第三轨道被沿着轨道车辆的轨道布置。在第三轨道的情况下，集电弓架被称为“集流靴”。
为了制动轨道车辆，可以控制轨道车辆的牵引马达使它作为发电机运转。由马达产生的电能被传递到供电线。这被称为是制动能量。
这种制动能量由临近的其它轨道车辆或者可逆的变电站来使用。
当变电站消耗制动能量的时候，其将制动能量从供电线传递到配电网络，这样就可以用于其他的目的。
但是，通常和特别的，在操作的非高峰时间，由轨道车辆产生的制动能量在附近没有消耗者。更精确的，当轨道车辆在供电线上产生制动能量的时候，这种能量的电压为集电弓电压水平的电压UT。该电压值UT不能超过预定的门限值UCmax。另一方面，变电站Sk只能在其处于比门限值UC3mink大的电压Ussk的情况下才可以消耗制动能量。因此可以理解，变电站Sk在理论上只能在其与轨道车辆之间的距离小于距离Fk的情况下才可以从轨道车辆消耗制动能，即，小于(UCmax-UC3min)/(ρlmax)的情况。
如果情况相反，也就是说，如果所有的变电站都位于与正在制动的轨道车辆相距超过Fk的位置的话，制动能量就不被消耗。在这些情况下，供电线上产生的制动能量在集电弓水平的供电线上的电压UT的增加时变得很明显。为了阻止电压UT超过门限值UCmax，在现在的轨道车辆中，只要电压UT超过了一个低于门限值UCmax的阈值UTG，轨道车辆停止在供电线上产生制动能量并以热能的形式将制动能量消耗在车载的可变电阻器中。为了安全的原因，门限值UTG被选择为比阈值UCmax小很多。结果就是，需要将正在制动的轨道车辆从变电站分离的最大距离事实上小于(UTG-UC3mink)/(ρlmax)。在已知的不采用并联逆变器控制的整流器系统中，例如，电压差值UTG-UC3mink是标称供电压的7％。因此将正在制动的轨道车辆与消耗者分离的距离与距离Dk相比非常小。这样小的距离导致了，轨道车辆的很大一部分制动能量没有被回收。因此这作为电能的急剧损失非常明显。
本发明的目的是提供一种回收电制动能量的系统来克服上述问题，该系统限制了可变电阻器的使用并因此限制了电能的急剧损失。
因此，本发明涉及一种制动能量回收系统，其中，限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2。
在上述的系统中，因为距离Fk大于或者等于Dk/2，不管轨道车辆沿着供电线的位置如何，其至少处于变电站的区域Zfk中。在这样的情况下，不管轨道车辆沿着供电线的位置如何都可以回收制动能量，这使得回收的制动能量的量增加。甚至可能回收至少99％的制动能量，并因此可以从轨道车辆上去除用于消耗制动能量的可变电阻器。上述的系统因此允许简化轨道车辆的结构并允许节约车辆的重量，这是节约能量的附加因素。
本系统的实施例包括如下的特征：
限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk。
制动能量回收系统的实施例进一步包括以下的优势：
选择限制UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk确保了，即使在变电站Sk出现故障的情况下，变电站Sk-1和Sk+1将可以用于回收制动能量，而不管正在制动的轨道车辆在这两个变电站Sk-1和Sk+1之间的位置如何。这也使得两个相邻的变电站同时用于回收制动能量并因此允许对制动能量回收进行分享。
本发明还涉及一种变电站，用于回收可在上述的系统中使用的轨道车辆的制动能量。
这个变电站的实施例包括一个或者多个以下的特征：
电转换器可以将电能从配电网络向供电线传输来向轨道车辆提供牵引力，这样，变电站Sk也与区域Ztk相关联以便向轨道车辆提供牵引，不管轨道车辆在区域Ztk中的位置如何，变电站Sk可以向轨道车辆的电牵引马达提供动力，牵引供给区域Ztk是供电线的以Pk为中心点的【LGtk；LDtk】区段，其限制值LGtk、LDtk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Tk，Tk等于(Ussmaxk-UCmin)/(ρlmax)，其中：
Ussmaxk是为了向轨道车辆提供牵引，变电站Sk的电转换器在Pk点的区域中能产生的最大电压，
UCmin是供电线上的最小允许的非永久电压，限制值Ussmaxk使得距离Tk大于或者等于Dk/2或者Dk，
只要测量或者估计的电压Ussk低于门限值Udk，控制模块可以引起电转换器自动转换到牵引供给模式，其中电转换器连续地从配电网络向供电线传输电能，
限制值UC3mink严格低于门限值Udk，
当测量或者估计的电压Ussk处于限制值UC3mink和门限值Udk之间的时候，控制模块可以根据在电压Ussk处于限制UC3mink与门限值Udk之间之前转换器所处的模式使电转换器转换到再生模式或牵引力供给模式；
变电站Sk包括用来调整门限值UC3k的模块，可以使这个门限值从下限UC3mink变化到大于或者等于供电线上允许的最大电压UCmax的90％的上限UC3maxk，该调整模块可以保持门限值UC3k严格大于测量或者估计的电压Ussk，只要测量或者估计的电压Ussk的增加保持为低于预定门限值assk；
当穿过电转换器的电流强度是零的时候，调整模块可以减小门限值UC3k到限制值UC3mink，如果电压Ussk的增加大于或者等于预定门限值assk；
控制模块可以控制电转换器，使得一旦测量或者估计的电压Ussk超过大于或者等于限制值UC3maxk的门限值UCmax2k，电转换器从供电线向配电网络传输每单位时间内尽可能多的电能；
电转换器是受控制的转换器，具有至少两个象限(quadrant)，并使用半导体闸流管或者功率晶体管来制造，控制模块可以控制电转换器来将电压Ussk维持在一个恒定的水平，只要供电线上产生的电功率或者从供电线吸收的电功率没有变化超过50％。
回收制动能量的变电站的实施例进一步具有以下的优势：
一选择距离Tk为大于或者等于距离Dk的一半，允许使用相同的标准来定位用于为轨道车辆供电和回收制动能量的变电站，不论轨道车辆沿着供电线的位置如何。
一选择门限值UC3mink低于门限值Udk，并当电压Ussk处于这两个门限之间的时候，给与再生模式优先权，允许变电站的区域Zfk增加超过区域Ztk。
一保持门限值Uc3k接近最大限制UC3maxk，允许促进仅仅通过供过供电线轨道车辆之间直接交换能量。
一在电压Ussk突然增加的时候减小门限值UC3k，允许区域Zfk的范围根据轨道交通量自动调整并允许被回收的制动能量分散在离轨道车辆最近的变电站间。
-控制转换器使得一旦电压Ussk超过门限UCmax2k，其将电能从供电线尽可能多地向配电网络传输，允许限制(clip)供电线上的过电压而不损害轨道车辆之间的能量交换。
本发明也涉及沿着具有上述制动能量回收系统的轨道网络运行的轨道车辆，其中轨道车辆没有位于车辆内部、允许轨道车辆的所有电制动能量以热能的形式散失的车载电阻。
本发明还涉及回收轨道车辆的制动能量的方法，该方法包括：
-提供至少一条供电线，其沿着轨道延伸以便向沿着轨道运行的轨道车辆供给电能。
-提供多个变电站Sk来回收电制动能量，这些变电站相互之间距离Dk大于100m，每个变电站Sk在连接点Pk电连接到供电线并具有电转换器，该电转换器可以将电能从供电线向配电网络传输来回收轨道车辆的制动能量，
-在连接点Pk区域测量或者估计电压Ussk，
-控制电转换器，以便一旦测量或者估计的电压Ussk大于门限值UC3k，则使其自动向再生模式转换，在该再生模式中，电转换器连续地将电能从供电线向配电网络传输来回收轨道车辆的制动能量，使得每个变电站与其自身的制动能量回收区域Zfk相关联，其中，不管轨道车辆在区域Zfk内的位置如何，变电站Sk可以回收该轨道车辆的至少一部分制动能量。
制动能量回收区域Zfk为供电线的一个区段【LGfk；LDfk】，该区段以点Pk为中心，其限制值LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax-UC3mink)/(ρlmax)，其中，
UCmax是供电线上允许的最大非永久电压，
UC3mink是在操作变电站过程中门限值UC3k可以取的最小值，
ρ是每单位长度的供电线的电阻值，
lmax是供电线上的最大允许电流强度，
限制UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2。
-当轨道车辆在区域Zfk的界限产生制动能量的时候，调整门限值UC3k到限制值UC3mink。
回收制动能量的方法的实施例可以包括一个或者多个以下的优点：
-该方法包括保持门限值UC3k严格大于测量或者估计的电压Ussk，只要电压Ussk的增加保持低于预定的门限值assk；
-该方法包括减小门限值UC3k到限制值UC3mink，如果测量或者估计的电压Ussk大于或等于预定的门限值assk。
最后，本发明还涉及一种数据记录介质，包括当被电子处理器执行的时候执行上述回收制动能量的方法的指令。
附图的简要说明
阅读以下给出了非限制性的例子的说明以及参考附图将对本发明有更好的理解，其中，
-附图1是具有用于回收制动能量的可逆变电站的系统的轨道网络的结构示意图，
-附图2是回收制动能量的方法的流程图，
-附图3-6是显示回收制动能量的方法的操作信号时序图。
-附图7是显示附图1中的轨道网络的不同的可能操作区域的图。
在这些附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。
在说明书的剩余部分，本领域技术人员已知的特征和功能将不进行详细的描述。
附图1显示具有用于回收制动能量的系统4的轨道网络2。
系统4包括一条或者更多供电线以及沿着这些供电线规律分布的多个变电站。为了简化附图1，仅仅显示了一条供电线6和三个变电站Sk-1、Sk、Sk+1。
下标k表示从变电站S0开始的每个变电站的序列号，变电站S0位于供电线6的沿着附图1中所示的F方向移动的一端。
供电线6上的电压可以在最大非永久电压UCmax和最小非永久电压UCmin之间变动。这些最大和最小的限制通常由例如欧洲标准EN50163或者CEI60850这样的标准进行定义。例如，在这个例子中，对于标称电压UCnom为750Vdc的供电线，限制UCmax等于1000Vdc而限制UCmin等于500Vdc。
每个变电站Sk都与供电线6在连接点Pk连接。点Pk距离点Pk+1的距离是Dk，距离点Pk-1的距离是Dk-1。距离Dk也是变电站之间的距离。距离Dk大于几百米。这个距离Dk对于变电站Sk来说足够的短，以向其集电弓架位于点Pk+1的区域之中的轨道车辆供给牵引力。在这种情况下，距离Dk对于标称电压750Vdc是位于1000m和2000m之间，对于标称电压3000Vdc可达到20km。
在这种情况下，供给牵引指的是这样的事实，即变电站在供电线6上产生足够的能量来供给轨道车辆的牵引发动机，并因此允许轨道车辆在上述固定的电压条件下移动。
每个变电站Sk与一个牵引供给区域Ztk相关联。区域Ztk是供电线6的以Pk为中心点的【LGtk；LDtk】区段。其左右限制值LGtk、LDtk距离点Pk的距离为Tk，Tk由以下关系式定义：
Tk＝(Ussmaxk-UCmin)/(ρImax)，                  (1)
其中，
Ussmaxk是为了向轨道车辆提供牵引，变电站Sk在Pk点的区域中能产生的最大牵引电压，
UCmin是供电线上的最小允许的非暂时电压，
ρ是每单位长度的供电线6上的和平行导体或者其“馈线”的电阻值，
lmax是供电线6的最大允许电流强度。
在这种情况下每单位长度的电阻被认为是每单位长度的电阻值。
区域Ztk因此对应于供电线6的一个区段，其中不管轨道车辆在该区域中的位置如何，变电站Sk都能向轨道车辆供给牵引。超过限制LGtk和LDtk，每单位长度供电线6上由于电阻而导致的电压下降是这样的：即使变电站Sk在点Pk的区域中产生电压Ussmaxk，轨道车辆的集电弓架级的电压可能低于电压UCmin。轨道车辆可能因此在超过这些限制LGtk和LDtk的时候不再系统地由变电站Sk供给牵引。
作为例示，Ussmaxk大于或者等于UCnom。不同的门限或者限制值在附图7中显示。这些选择在网络2的结构中被作出因此施加给距离Tk。接着，距离Dk被选择等于或者略少于距离Tk，这样，不管轨道车辆沿着供电线6的位置如何，其总是同时位于两个区域Ztk和Ztk+1中。这样的距离Dk的选择允许保证轨道车辆可以被供给电源而不管其沿着供电线6的位置如何，即使在一个变电站Sk出现故障的情况下。
变电站Sk也与制动能量回收区域Zfk相关联。区域Zfk是供电线6的一个区段【LGfk；LDfk】，该区段以点Pk为中心。其限制值LGfk、LDfk与点Pk距离为Fk。Fk由下列关系式定义：
Fk＝(UCmax-UC3mink)/(ρImax)，          (2)
其中，
UCmax是供电线6上允许的最大非永久电压，
UC3mink是将在以下定义的门限值UC3k的下限。
在这个例子中，UC3mink选择成小于或者等于UCnom。采用这样的方式，距离Fk大于或者等于距离Dk。
例如，限制值UC3mink选择成等于700Vdc。
区域Zfk是这样的区域，不管正在制动的轨道车辆在该区域Zfk中的位置如何，变电站Sk可以从轨道车辆回收制动能量。
在距离Fk大于或者等于距离Dk的情况下，因此可以从点Pk-1的区域中或者点Pk+1的区域中正在制动的轨道车辆回收制动能量。这样，即使变电站Sk是非工作的，变电站Sk-1和Sk+1允许从轨道车辆回收制动能量，而不管轨道车辆位于点Pk-1和Pk+1之间的什么位置。因此可以保证，即使某个变电站是非工的，轨道车辆的所有制动能量也都能被回收。
所有的变电站Sk被连接到同一个长距离配电网络20。在这种情况下，网络20是A类或者B类高压三相交流电网。A类或者B类交流高电压在这种情况下是指1000-50000Vac之间的交流电压。依照专利申请FR2873332的教导，网络20也可以是三相交流低压网络。在这种情况下，三相交流低压是指低于1000Vac的电压。典型地，这个三相交流低压网络将是B类或者BTB类的低压网络，这就是说，交流电压是500到1000Vac之间。
这种情况下，所有的变电站Sk互相之间是等同的，附图1中仅仅示出了变电站Sk。
变电站Sk包括四象限转换器30，其一端连接到网络20，另一端连接到供电线6上的点Pk。转换器30能够对网络20的三相电压进行整流以便向供电线6提供经过整流的在Ussmaxk和UCmin之间的连续电压。转换器30还可以对供电线6上出现的持续电压进行逆变以便向网络20提供从这个Ussmaxk和UCmin之间的持续电压形成的三相电压。转换器30可以在10ms内从其作为整流器的模式转换到其作为逆变器的模式或者反之亦然以便防止车辆的制动损失。
为了这样的目的，转换器30例如由一个并联到逆变器的整流桥形成。在这种情况下，整流桥是一个由半导体闸流管或者例如IGBT晶体管(绝缘栅双极晶体管)的功率晶体管制造的受控整流桥。受控整流桥允许在供电线6上产生固定电压750Vdc，即使在通过供电线6的电负载的功率消耗的变化多于50％的情况下。
逆变器允许最多等于门限值Ikmax的持续电流Ik被吸收。在这种情况下，Ikmax大于或者等于Imax。这个电流Ik在其穿过转换器30从点Pk向网络20移动的时候是正的。在相反的情况下电流Ik是负的。
转换器30是可以控制的转换器。为了这样的目的，变电站Sk包括控制单元32，可以控制转换器30来使其作为整流器或者逆变器来进行操作。单元32也允许在点Pk的区域提供或者吸收的电压Ussk被控制为值Ussc。为了这样的目的，变电站Sk包括检测电流Ik的强度的传感器34以及检测点Pk的区域中的电压Ussk的传感器36。
更精确的，一旦测量的电压Ussk大于门限值UC3k，单元32可以使转换器30转换到再生模式或者电能回收模式。一旦电压Ussk小于门限值Udk，单元32还可以自动使转换器30转换到牵引供给模式。例如，门限Udk小于或者等于UCnom。
变电站Sk也包括模块40来依照测量的电压Ussk来调整门限值UC3k的值。
单元32和模块40例如由可编程处理器42产生，可编程处理器42可以执行记录在与该处理器连接的存储器44中的命令。为了这样的目的，存储器44在这种情况下包括执行附图2的方法的命令、在这种情况下使用的限制值和门限的不同值。
系统2还包括沿着轨道47运动的轨道车辆46。车辆46通过集电弓架48电气连接到供电线6。集电弓架48允许从供电线6收集电能并供给车辆46的车载电转换器49的入口。转换器49可以将通过集电弓架48获得的持续电压转换为用于牵引马达50的三相电压源。马达50例如是同步或者异步马达。马达50可以驱动车辆46的车轮旋转。马达50可作为发电机操作以便制动车辆46。在这种情况下，转换器49能够作为整流器操作以便将制动能量返回给供电线6。
转换器49是可以由控制单元51控制的转换器。控制单元51可以根据在集电弓架48的区域中通过传感器52测量的电压UT来保护转换器49。为了此目的，单元51可以根据测量的电压UT来启动从供电线6电气绝缘电动车辆46。
车辆46没有以热量形式来散失由马达50当其操作作为发电机时产生的所有制动能量的车载制动电阻或者可变电阻器。
系统4的操作将参考附图2的方法来具体描述。
开始的时候，在步骤54，门限UC3k的值设置为等于其上限UC3maxk。其上限UC3maxk处于0.9UCmax到UCmax之间。例如，在这种情况下，限制UC3maxk等于950Vdc。
接着在步骤56中，电流强度Ik和电压Ussk被持久测量。
变电站Sk同时进行到阶段57来调整门限UC3k的值以及进行到阶段58来控制转换器30。
在阶段57开始的时候，在步骤60中，单元40检验电流强度Ik是否为零。如果是的话，模块40前进到步骤62来将测量的电压Ussk对于时间的导数dUssk/dt和预定的门限值assk进行比较。例如，门限值assk大于或者等于10V/s。
如果导数dUssk/dt的值大于门限assk，在步骤64中，只要以下两个条件中的一个不满足，模块40逐渐减小门限UC3k的值：
1)电压UC3k的值已经到达限制UC3mink，或者
2)电流强度Ik不等于零。
如果上述的条件1)满足，在步骤66中，门限UC3k的值被再次初始化为值UC3maxk，方法返回到步骤60。
如果上述的条件2)产生时，步骤64立即中断，并且方法回到步骤60。
例如，当轨道车辆在区域Zfk中开始制动，而在附近没有可以消耗该车辆的制动能量的其他轨道车辆时，步骤64被执行。在这种情况下，供电线6上制动能量的产生作为电压Ussk的突然增加(也就是说，斜率大于门限assk的增加)而变得非常明显。门限UC3k值响应于这种突然增加而减少的事实允许正在增加的电压Ussk被抵消因此允许快速反应。
当制动能量由位于区域Zfk之外的轨道车辆产生的时候，步骤66被执行。在这种情况下，为了促进不同轨道车辆之间的直接能量交换，门限UC3k的值被重新初始化到值UC3maax。直接能量交换是指仅由供电线实现的两个轨道车辆之间的电能交换。
如果导数dUssk/dt严格地小于门限assk，在步骤68中，模块40检验这个导数dUssk/dt是否严格大于零。如果是这样的话，在步骤70中，门限UC3k值被固定为等于测量的电压Ussk的值加上正的常数ΔUC3k。常数ΔUC3k很小，这就是说，例如，小于(UCmax-UCmin)/10。
步骤70允许门限值UC3k保持为略大于测量的电压Ussk，只要电压Ussk缓慢增加。这种情况典型地对应于区域Zfk中的轨道车辆的制动能量被另外一个牵引操作的轨道车辆至少部分消耗的情况。门限UC3k被保持接近于电压Ussk的事实允许在电压Ussk突然增加的情况下进行快速反应。
如果导数dUssk/dt的值小于或者等于零，在步骤72中，门限UC3k的值被再次初始化到UC3maxk。
如果制动能量被其他轨道车辆全部消耗，执行步骤72。在这种情况下，门限UC3k的值被再次初始化到值UCmaxk的事实促进不同轨道车辆之间的直接能量交换。
在步骤60中，如果测量的电流强度Ik不等于零，在步骤74中，门限UC3k的值被假定等于测量的电压Ussk的值减去预定的正的常数。在这种情况下，例如，预定正常数如同在步骤70中一样被假定等于ΔUC3k。
接着，在步骤76中，电流强度Ik与零值相比较。如果电流强度Ik严格小于零，在步骤78中，门限UC3k的值再次初始化到值UC3maxk。
在步骤78之后，方法转回到步骤60。
如果情况相反，也就是说，如果电流强度Ik严格大于零，方法直接返回到步骤60。
在阶段58开始的时候，在步骤90中，测量的电压Ussk与门限UC3k相比较。如果电压Ussk大于门限UC3k，在步骤91中，单元32比较电压Ussk与门限UCmax2。门限UCmax2大于或者等于限制UC3maxk，小于或者等于UCmax。例如，在这种情况下，门限UCmax2被选择为等于UCmax。
如果电压Ussk小于门限UCmax2，在步骤92中，单元32使转换器转换到再生模式或者保持其处于该模式。更具体的，在步骤92中，单元32控制转换器30以使其作为逆变器来操作。另外，在步骤92中，单元32控制转换器30，使得其将测量的电压Ussk保持为恒定水平。
以这种方式，在步骤92中，制动能量从供电线6传输到网络20，电压Ussk被保持在恒定水平。只要转换器30在再生模式中操作，电压Ussk被保持为恒定水平。这样，当轨道车辆46停止产生制动能量时，电压Ussk下降。
如果在步骤91中，电压Ussk大于门限UCmax2，在步骤93中，单元32控制转换器30，使得其吸收最大可能的电功率。这样，步骤93允许供电线6上的过电压被限制。
在步骤92或者93之后，方法返回到步骤90。
如果测量的电压Ussk严格小于门限UC3k，在步骤94中，单元32命令停止量通过转换器30从供电线6向网络20传输能量。
接着，在步骤96中电压Ussk与门限Udk比较。如果测量的电压Ussk严格小于门限Udk，转换器转换到或者保持在牵引供给模式。更精确的，在步骤98中，单元32控制转换器30，以使其作为整流器操作。例如，门限Udk被选择为等于UCnom。
此外，在步骤98中，单元32控制转换器30，以便以等于电压UCnom的持续电压的形式将来自网络20的能量供应给供电线6。
如果情况相反，也就是说，如果测量的电压Ussk大于门限Udk，在步骤100中，转换器30作为整流器的操作被停止。以这种方式，在步骤100中，不通过转换器30在网络20和供电线6之间建立能量交换。
在本方法中，转换器转换到再生模式或者到牵引供给模式是在10ms以内实现的。
附图3到6显示了在系统2的操作期间不同信号作为时间函数的发展。
更具体的，附图3显示了由车辆46产生的制动能量。
附图4显示了由出现在与车辆46相同的区域Zfk中的第二车辆产生的制动能量。
附图5显示门限UC3k和电压Ussk随着时间的发展。
最终，附图6显示作为时间函数的通过变电站Sk的转换器30的电流强度Ik。
开始的时候，如附图5所示，门限UC3k的值等于UC3maxk。
在时间t1，车辆46产生制动能量。作为电压Ussk的突然增加这变得非常明显。电压Ussk的突然增加引起了门限值UC3k的值的减小。当电压Ussk大于门限Uc3k，单元32控制转换器30，使得其作为逆变器来操作。由车辆46产生的制动能量从供电线6传输到网络20，电流Ik为正。
在时间t2，车辆46停止制动。作为电压Ussk的减小这立刻变得非常明显。电压Ussk因此变得小于门限UC3k，当转换器30停止作为逆变器操作的时候变得非常明显。
当电压Ussk低于门限Udk的时候，单元32控制转换器30来使其作为整流器操作。通过转换器30的电流因此是负的。负的电流强度Ik使得门限值UC3k重置为UC3maxk。
因此，在时间t3，变电站向车辆46提供电能。
在时间t3，车辆46开始再次制动并产生制动能量。但是，现在假定，同时在车辆46附近的第二轨道车辆被提供牵引。这样，车辆46的至少部分制动能量通过供电线6被直接发送到为了运行而消耗能量的第二车辆。该能量因此被传输到第二车辆而不通过变电站。因此，由车辆46的制动能量引起的电压Ussk的增加很低。在这些情况下，门限UC3k的值被调整到略大于测量的电压Ussk的值。
在时间t4，车辆46停止制动。电压Ussk下降。电压Ussk的下降使门限值UC3k重置为限制UC3maxk。
在这种情况描述的例子中，应当注意到时间t3和t4之间，仅仅车辆46对利用牵引操作的第二车辆提供能量。变电站Sk本身不提供任何的能量也不消耗任何能量。
在时间t5，电压Ussk变的低于门限Udk。单元32命令转换器30作为整流器操作，来为轨道车辆46供电。电流Ik变为负的。
在时间t6，车辆46开始再次制动。也假设在该时间，第二车辆消耗供电线6上的能量以便运行。因此，如已经在时间t3和t4之间所示，电压Ussk缓慢增加而门限值UC3k保持略高于测量的电压Ussk。
在时间t7，假设第二车辆开始制动。作为电压Ussk的突然增加这变得明显。电压Ussk因此变得大于门限UC3k而转换器30开始作为逆变器操作。电流Ik变为正的。门限UC3k保持略低于电压Ussk。
但是，假设在这种情况下，因为两个轨道车辆同时在区域Zfk中制动，通过转换器30的电流Ik到达最大值Issmax，这样转换器30不能吸收由两个轨道车辆同时产生的制动能量。电压Ussk因此持续急剧增加。电压Ussk的这种急剧增加也作为电压Ussk-1和电压Ussk+1在点Pk-1和Pk+1区域的急剧增加变得明显。这样，变电站Sk-1和Sk+1的门限UC3k-1和UC3k+1降低。
在点Pk的区域中的电压Ussk到达电压UCmax之前，点Pk-1或Pk+1区域中的电压Ussk-1或电压Ussk+1超出了相应的变电站的门限UC3k-1或UC3k+1。变电站因此开始从供电线6向网络20传输制动能量。这足以停止电压Ussk的增加并因此保持其低于或者等于电压UCmax。
在时间t8，车辆46和第二车辆同时停止制动。电压Ussk急剧下降并变得低于门限UC3k。变电站Sk的转换器30立即停止从供电线6向网络20传输制动能量。电流强度Ik因此再次变为零。接着，电压Ussk的减少导致门限值UC3k重置为UC3maxk。
如参考附图3和6所述的操作例子所示，系统4同时允许：
-所有的制动能量从轨道车辆被回收，
-促进轨道车辆之间的直接能量交换，
-制动动力被多个连续的变电站共享。
附图7中显示了系统4的各种可能的操作模式。在该图中，右侧纵轴包括门限UCmax和UCmin以及标称电压UCnom。右侧轴包括变电站中存储的门限，也就是，UCmax2，UC3maxk，Udk和UC3mink。水平线150、152和154各自代表门限UCmax、Udk和UCmin。
在图表上，门限值UC3k的值的发展由斜线156来表示。这个图表定义了四个可能的操作区域160，162，164和166。
区域160位于线150之下，线156和152之上。当电压Ussk在区域160中时，变电站作为发电机或者制动能量回收装置来操作。
区域162位于线156和152之间。当电压Ussk在区域162中，变电站的转换器既不在再生模式，也不在牵引供给模式。这样，区域162对应于一个操作区域，在该区域中，轨道车辆的制动能被通过供电线直接传送给另一轨道车辆。
区域164位于线152和156之下，以及线154之上。当电压Ussk位于区域164中时，它低于门限值Udk以使得变电器的转换器在牵引供给模式下操作。
最终，区域166位于线152之下和线156之上。当电压Ussk位于区域166中，其低于门限Ddk并大于限制UC3mink。在这个区域中，可以因此使转换器在牵引供给模式或者再生模式工作。在附图3中的方法中，选择给予再生模式优先权，这样，当电压Ussk处于区域166中，变电站的转换器系统地转入再生模式。但是，其他操作模式也是可能的。也可以决定给予牵引供给模式优先权，这样，当电压Ussk在区域166中时，变电站Sk的转换器系统地转换到牵引供给模式。
最终，在优选的方式中，当电压Ussk在区域166中时变电站Sk的转换器的操作模式根据在电压Ussk进入到区域166之前转换器所处的模式来选择。例如，如果电压Ussk进入到区域166之前在区域160中，变电站的转换器的模式将保持在再生模式，即使在区域166中。如果情况相反，如果电压Ussk进入到区域166之前在区域164中，即使当电压Ussk返回到区域166，牵引供给模式将保持。
若干其他的实施例也是可能的，例如，转换器30可以以由功率晶体管制造的可控逆变器/整流器的形式来生产。在这样的实施例中，相同的功率晶体管用于对电压整流或者对电压逆变。
在一个变形中，上述的内容应用于通过静态AC/AC转换器供给交流电流的悬链线。这种静态转换器必须被控制，以便允许能量从网络20向供电线6交换以及反之亦然。能量的转换因此不是自然的。
在这个例子中，转换器30被描述为一个四象限转换器。在一个变形中，转换器30是至少具有两个象限的转换器，允许电流Ik的方向反转。最终，不需要反转电压Ussk的极性。
门限Udk和限制UC3mink可以分别严格大于UCnom并严格小于UCnom。
在一个变形中，变电站Sk可以互相交换数据，变电站Sk分别都能根据从其他变电站接收到的数据来调整其各自的门限值UC3k。
附图3到6所示的操作模式仅仅是示意的简化例子。当然，门限UC3k的调整可以被优化，已经描述的内容可以适用于必须回收多于两个轨道车辆的制动能量的情况。以相同的方式，电制动能量可以从上坡轨道回收也可以从下坡轨道回收。

Claims (14)

1、一种用于回收轨道车辆的制动能量的系统，该系统包括：
-至少一条供电线(6)，沿着轨道延伸以便向在该轨道上运行的轨道车辆供给电能，
-用于回收制动能量的多个变电站Sk，这些变电站相互之间的间隔距离Dk大于100m，每个变电站Sk在连接点Pk处与供电线电连接并设置有：
电转换器(30)，能够将电能从供电线(6)传输到配电网络(20)以便回收轨道车辆的制动能量，
用于连接点Pk的区域中的电压Ussk的传感器(36)或者估计器，
用于控制电转换器的模块(32)，只要测量或者估计的电压Ussk大于门限值UC3k，该模块能够使电转换器自动转换到再生模式，在该再生模式中，电转换器持续地将电能从供电线传输到配电网络来回收轨道车辆的制动能量，这样每个变电站都与其各自的制动能量回收区域Zfk相关联，其中，不管轨道车辆在该区域Zfk内的位置如何，变电站Sk都能回收这个轨道车辆的至少一部分制动能量，
制动能量回收区域Zfk被设定为供电线(6)的一个区段[LGfk；LDfk]，该区段以点Pk为中心，其限制LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax-UC3mink)/(ρlmax)，其中，
UCmax是供电线上允许的最大非永久电压，
UC3mink是门限值UC3k在操作变电站过程中所取的最小值，
ρ是每单位长度的供电线的电阻值，
lmax是供电线上的最大允许电流强度，
其特征在于，限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2。
2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk。
3、一种能够用于前面任何一项权利要求所述的系统的回收轨道车辆的制动能量的变电站Sk，该变电站能够与供电线在点Pk电连接，并具有：
-电转换器(30)，能够将电能从供电线(6)传输到配电网络(20)以便回收轨道车辆的制动能量，
用于连接点Pk的区域中的电压Ussk的传感器(36)或者估计器，
用于控制电转换器的模块(32)，只要测量或者估计的电压Ussk大于门限值UC3k，该模块能够使电转换器自动转换到再生模式，在该再生模式中，电转换器持续地将电能从供电线传输到配电网络来回收轨道车辆的制动能量，这样每个变电站都与其各自的制动能量回收区域Zfk相关联，其中，不管轨道车辆在该区域Zfk内的位置如何，变电站Sk都能回收这个轨道车辆的至少一部分制动能量，
制动能量回收区域Zfk被设定为供电线(6)的一个区段[LGfk；LDfk]，该区段以点Pk为中心，其限制LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax-UC3mink)/(ρlmax)，其中，
UCmax是供电线上允许的最大非永久电压，
UC3mink是门限值UC3k在操作变电站过程中所取的最小值，
ρ是每单位长度的供电线的电阻值，
lmax是供电线上的最大允许电流强度，
其特征在于，限制值UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2或者Dk。
4、如权利要求3所述的变电站，其特征在于，
电转换器(30)能够将电能从配电网络(20)传输到供电线(6)来向轨道车辆提供牵引力，使得变电站Sk也与用于向轨道车辆供给牵引的区域Ztk相关联，不管轨道车辆在区域Ztk中的位置如何，变电站Sk能够向轨道车辆的电牵引马达提供电能，
牵引供给区域Ztk为供电线的以Pk为中心的[LGtk；LDtk]区段，其限制LGtk、LDtk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Tk，Tk等于(Ussmaxk-UCmin)/(ρlmax)，其中：
Ussmaxk是为了向轨道车辆提供牵引，变电站Sk的电转换器在Pk点的区域中能产生的最大电压，
UCmin是供电线上的最小允许的非永久电压，限制值Ussmaxk使得距离Tk大于或者等于Dk/2或者Dk。
5、如权利要求4所述的变电站，其特征在于：
只要测量或者估计的电压Ussk低于门限值Udk，控制模块(32)能够使电转换器(30)自动转换到牵引供给模式，其中电转换器(30)连续地从配电网络向供电线传输电能，
限制值UC3mink严格低于门限值Udk，
当测量或者估计的电压Ussk处于限制值UC3mink和门限值Udk之间的时候，控制模块能够按照电压Ussk处于限制UC3mink和门限值Udk之间之前转换器所处的模式，使电转换器切换到再生模式或者牵引供给模式。
6、根据权利要求3到5中的任何一项所述的变电站，其特征在于，
变电站Sk包括用于调整门限值UC3k的模块(40)，该模块能够使这个门限值从下限UC3mink变化到大于或者等于最大值UCmax的90％的上限UC3maxk，只要测量或者估计的电压Ussk的增加低于预定门限值assk，该调整模块(40)能够保持门限值UC3k严格大于测量或者估计的电压Ussk
7、如权利要求6所述的变电站，其特征在于：当穿过电转换器的电流强度是零的时候，如果电压Ussk的增加大于或者等于预定门限值assk，调整模块(40)能够将门限值UC3k减小到限制UC3mink。
8、如权利要求6或7所述的变电站，其特征在于：控制模块(32)能够控制电转换器，使得只要测量或者估计的电压Ussk超过大于或者等于限制UC3maxk的门限值UCmax2k，电转换器从供电线(6)向配电网络(20)传输每单位时间内最多可能的电能
9、如权利要求3到8中的任何一项所述的变电站，其特征在于：电转换器(30)是受控制的转换器，具有至少两个象限，并使用半导体闸流管或者功率晶体管来制造，只要供电线上产生的电功率或者从供电线吸收的电功率没有变化超过50％，控制模块(32)能够控制电转换器来将电压Ussk维持在一个恒定的水平。
10、一种在具有根据权利要求1或2的制动能量回收系统的轨道网络上运行的轨道车辆(46)，其特征在于，所述轨道车辆没有位于该车辆内部的、允许该轨道车辆的所有电制动能量以热能的形式耗散的车载可变电阻。
11、一种用于回收轨道车辆的制动能量的方法，该方法包括：
-提供至少一条沿着轨道延伸的供电线，以便向在该轨道上运行的轨道车辆供给电能，
-提供多个变电站Sk来回收电制动能量，这些变电站相互之间的间隔距离Dk大于100m，每个变电站Sk在连接点Pk连接到供电线并具有电转换器，该电转换器能够将电能从供电线向配电网络传输来回收轨道车辆的制动能量，
-在连接点Pk的区域测量(56)或者估计电压Ussk，
-控制(92)电转换器，只要测量或者估计的电压Ussk大于门限值UC3k，使得电转换器自动转换到再生模式，在该再生模式中，电转换器持续地将电能从供电线传输到配电网络来回收轨道车辆的制动能量，这样每个变电站都与其各自的制动能量回收区域Zfk相关联，其中，不管轨道车辆在该区域Zfk内的位置如何，变电站Sk都能回收这个轨道车辆的至少一部分制动能量，
制动能量回收区域Zfk设定为供电线(6)的一个区段[LGfk；LDfk]，该区段以点Pk为中心，其限制LGfk、LDfk在点Pk的一侧和另一侧的间隔距离为Fk，Fk等于(UCmax-UC3mink)/(ρlmax)，其中，
UCmax是供电线上允许的最大非永久电压，
UC3Mink是门限值UC3k在操作变电站过程中所取的最小值，
ρ是每单位长度的供电线的电阻值，
lmax是供电线上的最大允许电流强度，
限制UC3mink使得距离Fk大于或者等于Dk/2，
-当轨道车辆在区域Zfk的限制处产生制动能量的时候，调整(64)门限值UC3k到限制值UC3mink。
12、如权利要求11所述的方法，其特征在于：该方法包括，只要电压Ussk的增加低于预定门限值assk，保持(70)门限值UC3k的值严格大于测量或者估计的电压Ussk。
13、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：该方法包括，如果测量或者估计的电压Ussk的增加大于或者等于预定门限值assk，减小(64)门限值UC3k到限制UC3mink。
14、一种数据记录介质(44)，其特征在于其包括当被电子处理器(42)执行的时候实旋振据权利要求11到13中任一项所述方法的指令。
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